W pełni zautomatyzowany i wysoce wszechstronny system do badania wielorakich funkcji poznawczych i rejestracji aktywności neuronalnej u gryzoni

Podsumowanie

W niniejszym raporcie przedstawiamy w pełni zautomatyzowany i wysoce wszechstronny system umożliwiający jednoczesne badanie wielu zachowań poznawczych oraz rejestrację aktywności neuronów u gryzoni.

Streszczenie

Opracowaliśmy w pełni zautomatyzowany system do testowania zachowań operacyjnych i rejestracji aktywności neuronalnej, dzięki któremu w ramach jednej sekwencji zadań można badać wiele funkcji poznawczych mózgu. Unikalną cechą tego systemu jest wykonana na zamówienie, akustycznie transparentna komora, która eliminuje wiele problemów związanych z kontrolą sygnałów słuchowych występujących w większości dostępnych komercyjnie komór. Łatwość, z jaką można dodawać lub wymieniać urządzenia operacyjne, sprawia, że system ten jest bardzo wszechstronny, umożliwiając implementację różnorodnych zadań behawioralnych opartych na bodźcach słuchowych, wizualnych i węchowych. Automatyzacja systemu pozwala na precyzyjną kontrolę czasową (10 ms) oraz dokładne znakowanie czasowe każdego zdarzenia w zaplanowanej sekwencji behawioralnej. W połączeniu z wielokanałowym systemem rejestracji elektrofizjologicznej pozwala to na sekwencyjne lub niezależne badanie wielu funkcji poznawczych mózgu, takich jak motywacja, uwaga, podejmowanie decyzji, cierpliwość oraz system nagród.

Protokół

Przegląd systemu

System składa się z trzech głównych komponentów: (1) dwuściennej pomieszczenia dźwiękoszczelnego (Industrial Acoustical Company, Bronx, New York); (2) wielokanałowego systemu rejestracji elektrofizjologicznej (Neuralynx, Bozeman, MT); oraz (3) w pełni zautomatyzowanego, dostosowanego systemu testów behawioralnych firmy Med Associates Inc. (St. Albans, VT).

Jak pokazano na Rysunku 1A, komora operantowa znajduje się wewnątrz dźwiękoszczelnego pomieszczenia. Nad komorą operantową zamontowano komutator (Model SL-36, Dragonfly Research and Development, Inc., Ridgeley, West Virginia) do łączenia kabli z przedwzmacniacza głowowego do systemu rejestracji elektrofizjologicznej (Rysunek 1A-a) oraz kamerę wideo do monitorowania i rejestrowania zachowań zwierząt (Rysunek 1A-b).

Kamera operantowa projektu własnego

Specjalnie zaprojektowana, akustycznie przezroczysta komora operantowa (Figure1A-d) składa się z trzech akustycznie przezroczystych ścian oraz jednego modułowego panelu operacyjnego (Figure 1B). Do emitowania sygnałów słuchowych wykorzystuje się trzy głośniki (Cage Tweeter, ENV_224BM, Med Associates) zamontowane na górnej części panelu środkowego oraz dwóch paneli bocznych. Sygnały słuchowe są generowane przez skalibrowany, programowalny generator audio (ANL-926). Lampa stymulująca (ENV_221M) oraz dwa potrójne wyświetlacze LED do stymulacji (ENV_222M) znajdują się odpowiednio na panelu środkowym i bocznych. Lampy stymulujące te mogą być wykorzystywane do słuchowo-wizualnych wielozmysłowych testów behawioralnych. Urządzenie do wkładania nosa (nose poke) z trzema kolorowymi diodami LED (ENV_114M) jest zamontowane u dołu panelu środkowego. Detektor podczerwieni zainstalowany w jednostce nose poke służy do sygnalizowania włożenia nosa oraz okresu jego utrzymania. Diody LED w jednostce nose poke mogą być wykorzystywane do treningu utrzymywania nosa w otworze. Ruchoma dźwignia reakcji (ENV_112CM) jest zamontowana po każdej stronie panelu operantowego. Mobilność tych dźwigni pozwala na elastyczne sterowanie ich obecnością, co może być skutecznie wykorzystane zarówno w początkowym treningu zadania, jak i w badaniu kilku ważnych funkcji poznawczych mózgu (patrz poniżej). Cztery pary źródeł i detektorów wiązki podczerwieni (EVN_253SD), sterowane przez czterokanałowy kontroler IR (ENV_253), są umieszczone na dnie komory, aby wskazywać pozycję zwierzęcia oraz sterować innymi urządzeniami w zależności od jego położenia (Figure 1A-e). Dwa dozowniki peletek, każdy z wbudowanym czujnikiem podczerwieni (ENV_203M-45IR), są używane do wydawania nagród do pojemników na peletki (Figure 1A-c). Czujnik podczerwieni służy do monitorowania awarii dozownika peletek i generowania sygnałów ostrzegawczych.

Konfiguracja systemu

Przegląd połączeń systemowych i komponentów sprzętowych przedstawiono na Rysunku 2. Funkcjonalnie system składa się z dwóch równoległych, interaktywnych podsystemów: jednego do treningu behawioralnego, a drugiego do rejestracji elektrofizjologicznej. Oba podsystemy są synchronizowane za pomocą platformy programowej MED-PC IV (SOF-735). Komputer wysyła polecenia do urządzeń behawioralnych oraz impulsy TTL do systemu rejestracji neuronów (przepływy sygnałów zaznaczone czerwonymi strzałkami na Rysunku 2) i odbiera sygnały generowane przez reakcje zwierzęcia oraz aktywność neuronów (przepływy sygnałów zaznaczone odpowiednio zielonymi i niebieskimi strzałkami na Rysunku 2). Te równoległe, interaktywne systemy umożliwiają rejestrację zsynchronizowanych danych behawioralnych i neuronalnych oraz pozwalają na manipulowanie zachowaniem zwierzęcia w oparciu o aktywność neuronów lub vice versa.

Podsystem treningu behawioralnego Panel połączeń SmartCtrl (SG-716B) służy jako panel komunikacji dwukierunkowej: tzn. przesyła sygnały sterujące (czerwona strzałka na Rysunku 2) z komputera do urządzeń behawioralnych (wymienionych w czerwonej ramce) i przekazuje sygnały odpowiedzi zwierzęcia (zielona strzałka na Rysunku 2) z powrotem do komputera. Wyjścia czterokanałowego kontrolera IR (ENV_253) są również skierowane do panelu połączeń. Karta interfejsu (karta interfejsu SmartCtrl, DIG-716B) oraz karta dekodująca (DIG-700F) przekazują sygnały z panelu połączeń do karty PCI (DIG-704PCI) zainstalowanej w komputerze. Sygnały słuchowe są generowane przez generator bodźców (ANL-926), który jest również sterowany przez oprogramowanie MED-PC IV za pośrednictwem karty dekodującej (DIG-700F). Jak pokazano na Rysunku 2, wszystkie karty interfejsu znajdują się w nablatnej szafie interfejsu (SG-6080D). Szafa ta zapewnia również zasilanie dla wszystkich urządzeń behawioralnych.

Podsystem rejestracji elektrofizjologicznej Sygnały odpowiedzi zwierząt odebrane przez komputer są natychmiast przesyłane do systemu rejestracji neuronowej za pomocą karty SuperPort TTL (DIG-726) i interfejsu Cheetah Digital Interface Box (Neuralynx, Bozeman, MT) (Rysunek 2). Zdarzenia behawioralne te są znakowane czasowo i rejestrowane jednocześnie z aktywnością neuronową. Impulsy neuronowe (spikes) wykrywane w czasie rzeczywistym przez system rejestracji Neuralynx mogą służyć jako sygnały wejściowe dla podsystemu kontroli behawioralnej w celu manipulowania lub modyfikowania zachowania zwierzęcia. I odwrotnie, sygnały odpowiedzi zwierzęcia mogą służyć jako wyzwalacze do manipulowania lub modyfikowania aktywności neuronów w połączeniu z technikami stymulacji elektrycznej lub optogenetycznej. Podejścia te będą cenne dla wyjaśnienia związków przyczynowo-skutkowych między aktywnością neuronową a zachowaniem.

Programowanie i przetwarzanie danych Programy kontroli behawioralnej są pisane w oprogramowaniu Trans IV (Thomas A. Tatham i MED Associates) i kompilowane za pomocą kompilatora Pascal. Automatyzacja każdego etapu treningu jest realizowana poprzez załadowanie programu Trans IV do oprogramowania MED-PC IV. Parametry treningowe mogą być również dostosowywane na bieżąco przez trenerów podczas działania oprogramowania MED-PC IV. Kody Trans IV muszą być specyficzne zarówno dla konfiguracji systemu, jak i dla zadania behawioralnego. Standardowe programy treningowe są jednak swobodnie dostępne od MED Associates i mogą być modyfikowane, aby sprostać specyficznym potrzebom danego laboratorium. Programy treningowe wykorzystane w naszych układach są również dostępne bezpłatnie na zapytanie.

Dane behawioralne są zapisywane automatycznie przez oprogramowanie MED-PC IV. Zapisane dane mogą zostać przekonwertowane na pliki Microsoft Excel przy użyciu programu MED-PC To Excel (MPC2XL, Thomas A. Tatham i MED Associates). Przekonwertowane pliki Excel można następnie zaimportować i przeanalizować w środowisku MATLAB (MathWorks, Natick, MA). Dane neuronalne wraz z sygnaturami czasowymi zdarzeń behawioralnych zarejestrowane za pomocą oprogramowania Cheetah (Cheetah 5, Neuralynx, Bozeman, MT) mogą również zostać zaimportowane do MATLAB w celu analizy.

Szkolenie

Aby zilustrować działanie tego systemu, opisujemy tutaj zadanie dyskryminacji wysokości dźwięku z dwoma alternatywnymi wyborami (Two-Alternative Choice Pitch Discrimination Task), zaprojektowane w celu zbadania progu dyskryminacji częstotliwości u szczura. Schematyczny rysunek zadania przedstawiono na Ryc. 3.

1. Szkolenie wstępne

1. Zacznij od naiwnych dorosłych samców szczurów linii Sprague-Dawley w wieku ok. 60 dni.
2. Przed treningiem ogranicz podaż pokarmu, aż masa ciała zwierzęcia wyniesie ok. 90% wyjściowej masy ciała przy karmieniu ad libidum.

2. Aklimatyzacja w klatkach

1. Aby przygotować komorę do aklimatyzacji, wycofaj dźwignie i zablokuj otwór do wkładania nosa korkiem gumowym (wykonanym z tłoka strzykawki 60 cc), aby zapobiec aktywacji urządzenia do wkładania nosa przez zwierzę.
2. Umieść ~20 pełnowartościowych granulek pokarmowych (45 mg, Produkt # F0021, BioServ, Frenchtown, NJ) w każdym pojemniku na granulki (pojemniku z pokarmem).
3. Umieść naiwne zwierzę w komorze w celu aklimatyzacji. Szczur wkrótce zacznie badać pojemniki z pokarmem i zjadać granulki.
4. Gdy oba pojemniki z pokarmem będą puste, użyj sterowania programowego, aby podać jedną granulkę do każdej tacki. Dzięki temu szczur nauczy się kojarzyć pokarm z pojemnikiem.
5. Zmuś szczura do przemieszczania się po obu stronach komory, podając granulki losowo do każdego pojemnika z pokarmem. Jedna 30 minutowa sesja jest zazwyczaj wystarczająca do ustanowienia skojarzenia z pojemnikiem z pokarmem. W ciągu jednej 30 minutowej sesji szczur zazwyczaj otrzymuje 200 - 300 granulek, co wystarcza do utrzymania masy ciała na stałym poziomie ~90% wartości bazowej.

3. Trening naciskania dźwigni

1. W nowej sesji wysuń obie dźwignie do wnętrza komory i pozostaw pusty uchwyt na pokarm.
2. Następnie umieść w komorze zaaklimatyzowanego szczura. Gdy zwierzę znajdzie się w pobliżu dźwigni, podaj manualnie pelet za pomocą oprogramowania Med-PC IV. Nagrody należy podawać również wtedy, gdy szczur wykazuje zainteresowanie dźwignią, np. węsząc, dotykając jej lub wspinając się po niej. Przypadkowe naciśnięcie dźwigni powinno również automatycznie wywołać nagrodę w programie.
3. Aby zachęcić do naciskania dźwigni i wymusić eksplorację obu elementów, pozwól zwierzęciu nacisnąć każdą z dźwigni kolejno ograniczoną liczbę razy. Po osiągnięciu limitu wciągnij dźwignię. Gdy obie dźwignie zostaną wciągnięte, wysuń je ponownie, aby powtórzyć procedurę.
4. Stopniowo zmniejszaj limit, aż dźwignia będzie wciągana przy każdym naciśnięciu. Zazwyczaj jedna lub dwie 30-minutowe sesje są wystarczające do ustanowienia skojarzenia między naciśnięciem dźwigni a nagrodą pokarmową.

4. Trening wbijania nosa (nose-poke)

1. W nowej sesji wycofaj dźwignie i usuń gumowy korek z otworu do wkładania nosa (nose poke). Umieść kilka peletek wewnątrz otworu nose-poke, aby zachęcić szczura do zainteresowania się urządzeniem.
2. Ponownie wprowadź zwierzę do komory. Wysuń losowo jedną z dwóch dźwigni, gdy szczur będzie wąchał otwór nose-poke w poszukiwaniu peletek pokarmowych.
3. Widząc wysuniętą dźwignię, szczur podejdzie i naciśnie ją, aby otrzymać peletkę pokarmową. Po naciśnięciu dźwigni i wydaniu nagrody wycofaj dźwignię, aby zachęcić szczura do ponownego zbadania otworu nose-poke. Nauka sekwencji zadania: Nose-poke →Wysunięcie dźwigni→Naciśnięcie dźwigni→Nagrody zajmuje zazwyczaj od 20 do 30 minut.

5. Trening sygnałów

1. W nowej sesji odtwórz sygnały słuchowe po zdarzeniu włożenia nosa do otworu (nose-poke) z krótkim opóźnieniem (100 do 250 ms). Wysuń obie dźwignie (lewą i prawą) krótko (100 ms) po każdym zaprezentowaniu sygnału słuchowego.
2. Nagródz szczura tylko wtedy, gdy naciśnie on dźwignię wskazaną przez sygnał słuchowy. Zwierzę stopniowo nauczy się kojarzyć konkretny sygnał słuchowy z jedną dźwignią. Następnie zwierzę może rozpocząć nową próbę zgodnie z sekwencją: Nose-poke → Sygnał → Naciśnięcie dźwigni → Nagroda/Brak nagrody (Rycina 3). Ze względu na wysoką stopę błędów w początkowych sesjach uczenia się, po każdej sesji treningowej należy podać dodatkowy pokarm w celu utrzymania masy ciała.
3. W ciągu kolejnych kilku 30-minutowych sesji pozwól szczurowi ćwiczyć nowo nauczone zadanie, aż do osiągnięcia stabilnego poziomu wyników (typową krzywą uczenia się przedstawiono na Rycini 3A). Po opanowaniu zadania szczur może uzyskać około 200–300 peletów w każdej 30-minutowej sesji, co jest wystarczające do utrzymania jego masy ciała.

6. Reprezentatywne wyniki

Zgodnie z powyższym protokołem, nauczono szczury rozpoznawać dwa różne wzorce pociągów impulsów czystego tonu, składające się z sześciu sygnałów dźwiękowych o tej samej częstotliwości (F,F,F,F,F,F) lub różnych częstotliwościach (F, F-ΔF, F, F-ΔF, F, F-ΔF) ^1-5. Każdy sygnał dźwiękowy trwa 200 ms, a odstęp między sygnałami wynosi 400 ms. W niniejszym badaniu wartość F ustalono na 10 kHz, a ΔF wynosiło od 1 do 50% wartości F (Rysunek 3, góra). Zazwyczaj podczas sesji treningowych ΔF ustawiano na stosunkowo duże wartości: 5 kHz, 4 kHz, 3 kHz, 2 kHz i 1 kHz, aby ułatwić proces uczenia. Każdy pociąg impulsów czystego tonu z różną wartością ΔF był prezentowany losowo w danej sesji.

Zadanie dyskryminacji wysokości dźwięku z wyborem dwiema alternatywami zostało przedstawione na Rysunku 3. Szczury były trenowane do wkładania nosa do otworu na nos (Rysunek 1B oraz Rysunek 3, dół), aby rozpocząć próbę. Włożenie nosa uruchamia nadawanie sygnałów słuchowych. Po rozpoznaniu sygnałów szczury muszą podbiec do odpowiedniej strony komory, zbliżyć się do dźwigni, poczekać, aż dźwignia wysunie się do komory, a następnie nacisnąć ją w określonym oknie czasowym (czas aktywności dźwigni, od 1 do 2 sekund), aby otrzymać nagrodę (Rysunek 3). Współczynnik trafień obliczano dla każdej wartości ΔF jako liczbę prób trafionych podzieloną przez całkowitą liczbę prób dla każdej poszczególnej wartości ΔF. Kryterium 75% współczynnika trafień stosowano jako wskaźnik tego, że szczur opanował zadanie. Typowa krzywa uczenia się jednego szczura została przedstawiona na Rysunku 4A. Każda kolorowa linia obrazuje postępy w uczeniu się dla każdego pociągu impulsów o różnym ΔF (ΔF0 reprezentuje stały pociąg impulsów). Średnio potrzeba było około siedmiu sesji treningowych (licząc od pierwszej sesji prezentacji sygnałów słuchowych, Krok 5 Trening Sygnałowy), aby osiągnąć kryterium 75% współczynnika trafień.

System ten umożliwia również ilościową charakterystykę zachowania zwierzęcia podczas wykonywania zadania zaprojektowanego przez eksperymentatorów. Trzy pomiary, które są powszechnie stosowane w badaniach behawioralnych zwierząt, przedstawiono na Rysunku 4 B - D. Czas reakcji, odzwierciedlający głównie uważność zwierzęcia w wykonywanym zadaniu, mierzono jako czas, jaki upłynął między pojawieniem się sygnału słuchowego a naciśnięciem dźwigni. Odstęp między próbami (inter-trial interval), odzwierciedlający zaangażowanie zwierzęcia w zadanie, w którym zwierzę inicjowało każdą próbę i nie zostało ukarane przerwą (time-out) w próbie błędnej, przedstawiono na Rysunku 4C. Zmienność czasową wyników w obrębie jednej sesji, reprezentującą dynamiczne wzorce ogólnej wydajności zwierzęcia i odzwierciedlającą poprawę/adaptację, która może wystąpić w ciągu pojedynczej sesji, przedstawiono na Rysunku 4D. Każdą sesję podzielono na etap wczesny, środkowy i późny (10 minut na etap). W pomiarze tym wykorzystano skumulowaną liczbę nagród w każdym etapie.

Podstawy neuronalne wielu zachowań poznawczych (Rysunek 5A oraz patrz Dyskusja) można również badać za pomocą tego systemu, rejestrując aktywność neuronalną zwierząt wykonujących określone zadanie. Przykłady aktywności neuronalnej zarejestrowanej jednocześnie w jądrze podstawnym (NB) i polu brzuszno-przykrytym (VTA) mózgu szczura przedstawiono na Rysunku 5B i C. Impulsy neuronów są znakowane czasowo w celu powiązania ich z każdym zdarzeniem w próbie (takim jak włożenie nosa do otworu, naciśnięcie dźwigni, prezentacja i rozpoznanie sygnału słuchowego oraz faktyczne otrzymanie nagrody) i analizowane w relacji do tych zdarzeń behawioralnych. Wyniki połączonej rejestracji aktywności behawioralnej i neuronalnej z wykorzystaniem tego systemu będą owocne w wyjaśnianiu podstaw neuronalnych wielu zachowań poznawczych.

Rysunek 1. Główne komponenty systemu (A) oraz schemat niestandardowej komory operacyjnej dla bodźców słuchowych (B). A. Komora operacyjna znajduje się w dwuściennym pomieszczeniu dźwiękoszczelnym. Na ścianach pomieszczenia zamontowano bechechowe kliny z pianki, aby wyeliminować rozpraszanie i odbicie dźwięku. a: Komutator do prowadzenia przewodów do systemu rejestracji aktywności neuronalnej; b: Kamera wideo do monitorowania i rejestrowania zachowania zwierzęcia; c: Dyspensery peletu; d: Komora operacyjna. e: Odbiorniki podczerwieni. B. Komora operacyjna składa się z trzech akustycznie przezroczystych ścian i jednego modułowego panelu operacyjnego. Szczegółowe opisy znajdują się w tekście.

Rycina 2. Schematyczny przegląd systemu. System składa się z dwóch podsystemów: treningu behawioralnego oraz systemu rejestracji aktywności neuronalnej. Oba podsystemy komunikują się ze sobą interaktywnie za pomocą impulsów TTL (szczegóły w sekcji System Configuration). Czerwone strzałki reprezentują polecenia i/lub zdarzenia behawioralne wysyłane z komputera; zielone strzałki oznaczają sygnały odpowiedzi zwierzęcia przesyłane z powrotem do komputera; natomiast niebieska strzałka reprezentuje wejściowe sygnały zdarzeń typu spike neuronalnego, wykrywane w czasie rzeczywistym za pomocą systemu rejestracyjnego Neuralynx.

Rysunek 3. Zadanie dyskryminacji częstotliwości z wyborem dwóch alternatyw. Góra, schemat blokowy przedstawiający podstawową sekwencję zadania. Dół, schematyczne przedstawienie głównych działań behawioralnych. Zielone strzałki wskazują sekwencyjny przebieg zadania.

Rycina 4. Reprezentatywne wyniki zadania częstotliwościowego wyboru z dwóch alternatyw. A. Krzywe uczenia się: każda kolorowa linia przedstawia postępy w nauce szczura w rozróżnianiu poszczególnych wariacji częstotliwości (ΔFs). Ciemna linia przedstawia uśrednioną krzywą uczenia się dla wariacji częstotliwości. B. Rozkład czasu reakcji mierzonego jako odstęp czasu od pojawienia się sygnału do naciśnięcia dźwigni. C. Rozkład odstępów między próbami. D. Dynamika czasowa wydajności w obrębie sesji mierzona za pomocą skumulowanych nagród uzyskanych we wczesnej, środkowej i późnej fazie sesji. Wszystkie dane w sekcjach B - D uzyskano w ostatniej fazie, gdy wydajność szczura przekroczyła poziom 75% trafień.

Rycina 5. Przykład zachowań poznawczych i funkcji mózgu, które można badać przy użyciu systemu. A. Zachowania poznawcze. Górne podpisy opisują każdą czynność w sekwencji jednej próby. Dolne podpisy wskazują badane zachowania poznawcze. Należy zauważyć, że obie dźwignie były wysunięte na wszystkich zdjęciach z wyjątkiem d, gdzie dźwignia znajduje się w procesie wysuwania do komory. B. Wzorce wyładowań neuronu zarejestrowanego w NB szczura wykonującego słuchowe zadanie dwuwybiorcze. Góra, wykres rastrowy wyładowań w każdej próbie. Każdy kolorowy prostokąt reprezentuje wyładowania komórki, a częstotliwość wyładowań jest zakodowana kolorem. Dół, histogram peri-zdarzeniowy (PSTH) częstotliwości wyładowań. Zauważalny jest wzrost wyładowań przed czynnością (naciśnięcie dźwigni w czasie zero mikrosekund, zaznaczone czerwoną przerywaną linią pionową) oraz stopniowe rozproszenie wyładowań po czynności. C. Wzorce wyładowań neuronu zarejestrowanego w VTA szczura wykonującego słuchowe zadanie dwuwybiorcze. Góra, wykres rastrowy wyładowań pojedynczego neuronu VTA w każdej próbie. Każdy kolorowy prostokąt reprezentuje wyładowania neuronu VTA, a jego częstotliwość wyładowań jest zakodowana kolorem. Dół, histogram peri-zdarzeniowy częstotliwości wyładowań przedstawiony na obrazie rastrowym. Zauważalne są rzadkie wyładowania bezpośrednio przed czynnością naciśnięcia dźwigni (w czasie zero mikrosekund, zaznaczone czerwoną przerywaną linią pionową) oraz intensywne wyładowania w okresie, gdy szczur otrzymuje nagrodę. Aktywność tego neuronu jest praktycznie nieobecna pomiędzy tymi dwiema czynnościami. Do jednoczesnej rejestracji aktywności neuronalnej z NB i VTA podczas wykonywania zadania przez szczura wykorzystano implantowane w mózgu wolframowe stereotrody. Sortowanie impulsów (spike-sorting) wykonano w trybie offline przy użyciu oprogramowania SpikeSort 3D (Neuralynx, Bozeman, MT).

Dyskusja

Kluczowym aspektem projektowania każdego behawioralnego zadania słuchowego jest eliminacja niepożądanych dźwięków wynikających z rozproszenia i odbicia w środowisku testowym. Słaba kontrola akustyczna może mieć znaczący wpływ na badane zachowanie i prowadzić do wyników mylących lub nawet nieinterpretowalnych. Komora behawioralna zastosowana w opisanym tutaj systemie została zaprojektowana tak, aby była akustycznie przezroczysta, co pozwala uniknąć odbicia dźwięku od ścian komory. Rzeczywiście, przy pomiarach wykonanych z centrum komory, odbicie dźwięku było praktycznie niewykrywalne (dane nie przedstawiono).

Chociaż system ten opracowaliśmy głównie do badania układu słuchowego, może on zostać łatwo dostosowany przez innych badaczy do analizy innych układów sensorycznych. Modyfikacje oprogramowania i sprzętu można wprowadzać z łatwością w zależności od zadań, bez konieczności zmiany ogólnej konfiguracji systemu. Modułowy panel sterowania sprawia, że system jest szczególnie wszechstronny, umożliwiając dodawanie i/lub zastępowanie poszczególnych urządzeń w celu realizacji nowych zadań behawioralnych. Na przykład zadania behawioralne związane z węchem można zaimplementować poprzez dostarczanie bodźca zapachowego do urządzenia typu nose poke. Do realizacji złożonych zadań olfaktorycznych na panelu sterowania można łatwo zainstalować ściankę z pięcioma podświetlanymi otworami nose poke z systemem podawania bodźców zapachowych firmy MED Associates (ENV-115A-OF). Ponadto wszystkie urządzenia operantowe można z łatwością zastąpić takimi, które są przeznaczone dla myszy, bez zmiany konfiguracji systemu.

Precyzyjna kontrola czasowa każdego urządzenia operacyjnego, a także wysokorozdzielcze rejestrowanie pojedynczych zdarzeń w danej próbie, umożliwiają dokładne manipulowanie urządzeniami w celu dostosowania projektu zadań behawioralnych do badania różnych funkcji poznawczych mózgu (patrz poniżej). W połączeniu z rejestracją aktywności neuronalnej system ten pozwala na badanie szerokiego zakresu zagadnień z dziedziny neuronauk. Na przykład w opisanym powyżej zadaniu słuchowym, w ramach jednej próby można badać następujące kwestie związane z funkcjami poznawczymi mózgu:

(1). Motywacja: Ponieważ każda próba jest inicjowana przez „samomotywowaną” czynność wkładania nosa przez zwierzę (Rycina 5A-a i Rycina 3), motywację można zatem ocenić ilościowo, mierząc całkowitą liczbę prób wykonanych przez zwierzę w danej sesji lub liczbę prób wykonanych pod rząd^6,7.

(2). Uwaga: Kluczem do otrzymania nagrody w próbie jest prawidłowe rozpoznanie sygnałów słuchowych. W około 25% szczurów, których nie udało się wytrenować do wykonania zadania, głównym czynnikiem był brak uwagi skierowanej na sygnały słuchowe. W przeciwieństwie do nich, u szczurów, które opanowały zadanie, podczas prezentacji sygnału słuchowego zauważalna była chwilowa przerwa w zachowaniach (patrz Rysunek 5A-b oraz Rysunek 3). Dzięki zastosowaniu tego systemu możliwe jest zatem (i) przesiewowe wyłonienie szczurów z „deficytami uwagi” oraz (ii) badanie mechanizmów neuronalnych uwagi, przy połączeniu z rejestracją aktywności neuronów w czasie, gdy zwierzę zwraca uwagę na sygnały słuchowe^8-10.

(3). Decyzja: Po rozpoznaniu sygnałów słuchowych zwierzę musi zdecydować, w którym kierunku się obrócić, aby podejść do właściwej dźwigni w ograniczonym przedziale czasowym (Ryc. 5A-c). Jest to zatem również skuteczny paradygmat do badania procesów podejmowania decyzji^11,12.

(4). Cierpliwość: Moment wysunięcia dźwigni można kontrolować w taki sposób, aby zwierzę musiało poczekać na jej pojawienie się po dotarciu do miejsca, w którym dźwignia zostanie wysunięta (Rycina 5A-d). Poprzez różnicowanie czasu oczekiwania można badać i kwantyfikować stopień cierpliwości zwierzęcia¹³.

(5). Nagrody: Końcowym celem zadania jest uzyskanie nagrody (Rysunek 5A-e i Rysunek 3). Zadania behawioralne z wykorzystaniem tego systemu mogą być zatem łatwo zaprojektowane w celu zbadania wielu aspektów procesów decyzyjnych związanych z nagrodą oraz funkcji układów wartościowania w mózgu^14-17.